Synthese, Charakterisierung und elektrochemische Analyse von Elektrodenmaterialien für Festkörper-Batterieanwendungen

Blaschke, Stefan Paul; Simon, Ulrich; Eichel, Rüdiger-A.

doi:45536

Synthese, Charakterisierung und elektrochemische Analyse von Elektrodenmaterialien für Festkörper-Batterieanwendungen

Blaschke, Stefan Paul^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Paul Blaschke, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2026

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Eichel, Rüdiger-A. (Thesis advisor)^RWTH* ; Simon, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-06-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-06095
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1037570/files/1037570.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
all-solid-state lithium batteries (frei) ; electrochemical impedance spectroscopy (frei) ; ionic conductivity (frei) ; liquid-phase synthesis (frei) ; lithium argyrodite (Li₆PS₅Br) (frei) ; sulfide solid electrolyte (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Festkörperbatterien gelten als vielversprechende Lösung für sicherere, leistungsfähigere und nachhaltigere Energiespeicher. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese, Charakterisierung und elektrochemischen Bewertung sulfidbasierter Festkörperelektrolyte, insbesondere β-Li₃PS₄ und Li₆PS₅Br. Der Fokus liegt dabei auf der Entwicklung skalierbarer Herstellungsverfahren sowie auf der Untersuchung der Grenzflächenstabilität mit unterschiedlichen Anodenmaterialien. Materialien wie Li₆PS₅Br werden typischerweise mittels Hochenergie-Kugelmahlen synthetisiert. Obwohl diese Methode phasenreine Materialien liefern kann, ergeben sich erhebliche Herausforderungen bei einer Skalierung aufgrund langer Prozesszeiten, hoher Kosten und beträchtlichen Verschleißes der Mahlapparaturen. Daher hat die Flüssigphasensynthese von Li₆PS₅Br in den letzten Jahren als skalierbare Alternative zunehmend an Interesse gewonnen. Im Rahmen der Arbeit wurden zwei Syntheserouten untersucht: die Flüssigphasensynthese mit organischen Lösungsmitteln sowie eine alternative, neu entwickelte Methode auf Basis von überkritischem CO₂. Die Flüssigphasensynthese erfordert den Einsatz extrem trockener und kostenintensiver Lösungsmittel wie Tetrahydrofuran oder Ethanol. Rückstände, insbesondere Kohlenstoffverunreinigungen aus der thermischen Zersetzung der Lösungsmittel, führten zu erhöhter elektronischer Leitfähigkeit und beeinflussten die elektrochemische Leistung negativ. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurde eine Synthesemethode auf Basis von überkritischem CO₂ angewendet, mit der hochreines Li₆PS₅Br mit minimalen Nebenphasen hergestellt werden konnte. Strukturelle und chemische Analysen bestätigten die erfolgreiche Materialsynthese. Impedanzmessungen zeigten eine ionische Leitfähigkeit von 1,06 × 10⁻³ S cm⁻¹ sowie eine zu vernachlässigende elektronische Leitfähigkeit von 6,79 × 10⁻⁹ S cm⁻¹. Im Vergleich zum Hochenergie-Kugelmahlen und der Flüssigphasensynthese bietet die Methode auf Basis von überkritischem CO₂ Vorteile hinsichtlich Skalierbarkeit, Prozessdauer und Kosten. Gleichzeitig entfällt die aufwendige Handhabung von Lösungsmitteln, die in herkömmlichen flüssigphasenbasierten Syntheserouten verwendet werden. Auch das Potenzial der direkten Beschichtung von Kathodenoberflächen mit Festkörperelektrolyten wurde als vielversprechender Ansatz für zukünftige Entwicklungen identifiziert. Die elektrochemische Leistung wurde in symmetrischen Zellen und Vollzellen untersucht. Dabei kamen verschiedene Anodenkonzepte sowie Grenzflächendesigns zum Einsatz. Der Einfluss einer Lithium-Metall-Anode, einer legierungsbasierten Anode und einer Grenzflächenmodifikation (Silber-Kohlenstoff-Zwischenschicht) wurde bewertet. Diese Arbeit unterstreicht die Bedeutung einer optimierten Synthese, eines gezielten Grenzflächendesigns und eines skalierbaren Verarbeitungsverfahrens für die Entwicklung leistungsfähiger und industriell realisierbarer Festkörperbatterien.

All-solid-state batteries (ASSBs) are regarded as a promising solution for achieving safer, more energy-dense, and sustainable energy storage systems. This thesis focuses on the synthesis, characterization, and electrochemical evaluation of sulfide based solid electrolytes, specifically β-Li₃PS₄ and Li₆PS₅Br, with particular emphasis on scalable processing and interfacial stability with different anode materials. Argyrodite materials such as Li₆PS₅Br are typically synthesized via high-energy ball milling. While this method can yield phase-pure materials, it presents significant challenges for scale-up due to prolonged processing times, high cost, and considerable wear of the milling equipment. Therefore, the liquid phase synthesis of Li₆PS₅Br has gained increasing attention in recent years as a scalable alternative. In this thesis two synthesis routes were explored and evaluated: liquid phase synthesis using organic solvents, and an alternative supercritical CO₂-assisted method developed in this work. Liquid phase synthesis relies on ultra dry and expensive organic solvents such as tetrahydrofuran and ethanol. Residual solvent byproducts, including carbon contamination formed during calcination, were found to increase electronic conductivity and alter impedance behavior. To overcome these limitations, a supercritical CO₂-assisted synthesis method was applied to produce high purity Li₆PS₅Br with minimal secondary phases. Structural and chemical characterization confirmed successful material formation, while impedance measurements demonstrated an ionic conductivity of 1.06 × 10⁻³ S cm⁻¹ and a negligible electronic conductivity of 6.79 × 10⁻⁹ S cm⁻¹. Compared to high energy ball milling and liquid phase synthesis, the supercritical CO₂-assisted method offers improved scalability, reduced processing time and lower cost. It also avoids the challenges associated with solvent handling in conventional liquid phase routes. Additionally, the potential for direct application of electrolyte coatings on cathodes is highlighted as a future direction. Electrochemical testing included symmetric cell and full cell configurations, examining different anode materials and interfacial designs. The influence of a lithium metal anode, an alloying-type anode, and an interfacial modification (silver-carbon anode interlayer) was evaluated. The findings of this work emphasize the importance of synthesis optimization, interfacial engineering, and scalable processing for the development of high performance, commercially viable ASSBs.

OpenAccess:
PDF
(additional files)